철근콘크리트 모멘트골조의 비용 및 이산화탄소 배출량을 고려한 유전자알고리즘 기반 구조최적화기법

국문 초록 (Abstract)

본 연구에서는 철근콘크리트 건물에 대한 유전자 알고리즘 기반의 최적구조설계기법을 제시하고자 한다. 목적함수는 구조 물의 비용과 이산화탄소 배출량을 동시에 각각 최소화하는 것이다. 비용 및 인산화탄소 배출량은 구조설계안에서 얻을 수 있는 단면치수, 부재길이, 재료강도, 철근량 등과 같은 설계정보를 통해 계산한다. 즉, 구조물의 물량을 기초로 하여 비용과 이산화탄소 배출량을 평가한다. 재료의 운반, 시공 및 건물 운영 단계에서 발생하는 비용 및 이산화탄소 배출량은 본 연구에 서 제외한다. 제약조건은 철근콘크리트 건물을 구성하는 기둥과 보 부재의 강도조건과 층간변위조건이 고려된다. 제약조건 을 평가하기 위해 OpenSees를 활용한 선형정적해석이 수행된다. 제약조건을 만족시키면서 목적함수에 대해 최소의 값을 제 시하는 설계안을 찾기 위해 유전자 알고리즘이 사용된다. 제시한 알고리즘의 적용성을 검증하기 위해 4층 철근콘크리트 모 멘트 골조 예제에 제시하는 기법을 적용하여 검증한다.

다국어 초록 (Multilingual Abstract)

In this study, the genetic algorithm based optimal structural design method is proposed. The objective functions are to minimize the cost and CO2 emissions, simultaneously. The cost and CO2 emissions are calculated based on the cross-sectional dimensions, length, material strength, and reinforcement ratio of beam and column members. Thus, the cost and CO2 emissions are evaluated by using the amounts of concrete and reinforcement used to construct a building. In this study, the cost and CO2 emissions calculated at the phases of material transportation, construction, and building operation are excluded. The constraint conditions on the strength of beam and column members and the inter-story drift ratio are considered. The linear static analysis by using OpenSees is automatically conducted in the proposed method. The genetic algorithm is employed to solve the formulated problem. The proposed method is validated by applying it to the 4-story reinforced concrete moment frame example.

목차 (Table of Contents)

• 1. 서 론
• 2. 철근콘크리트 부재의 강도설계
• 3. 구조정식화 및 최적구조설계기법
• 3.1 구조정식화
• 3.2 최적구조설계기법 흐름도
• 4. 예제 적용
• 4.1 예제 개요
• 4.2 결과
• 5. 결 론
• 감사의 글
• References

참고문헌 (Reference)

• 1 정연백, "혼화재 종류 및 치환율을 고려한 저탄소 콘크리트 배합설계 모델" 한국콘크리트학회 27 (27): 427-434, 2015
• 2 최세운, "최적구조설계를 이용한 SRC 기둥의 CO2 배출량 평가" 한국전산구조공학회 26 (26): 335-342, 2013
• 3 곽효경, "데이터베이스에 기반한 RC 평면 프레임 구조물의 최적설계" 한국전산구조공학회 20 (20): 165-180, 2007
• 4 Yeo, D., "Sustainable Design of Reinforced Concrete Structures Through Embodied Energy Optimization" 43 : 2028-2033, 2011
• 5 Fragiadakis, M., "Performance-based Optimum Seismic Design of Reinforced Concrete Structures" 37 : 825-844, 2008
• 6 Xu, C., "Optimal Design of Viscoelastic Damping Structures using Layerwise Finite Element Analysis and Multi-objective Genetic Algorithm" 157 : 1-8, 2015
• 7 Liu, M., "Multiobjective Optimization for Performance-Based Seismic Design of Steel Moment Frame Structures" 34 : 289-306, 2005
• 8 Choi, S. W., "Multi-objective Seismic Design Method for Ensuring Beam-hinging Mechanism in Steel Frames" 74 : 17-25, 2012
• 9 ASCE., "Minimum Design Loads for Buildings and other Structures(ASCE 7-05)"
• 10 Choi, S. W., "Minimum Column-to-Beam Strength Ratios for Beam-hinge Mechanisms Based on Multiobjective Seismic Design" 88 : 53-62, 2013
• 11 Park, H. S., "Evaluation of the Influence of Design Factors on the CO2 Emissions and Costs of Reinforced Concrete Columns" 82 : 378-384, 2014
• 12 Chan, C. M., "Elastic and Inelastic Drift Performance Optimization for Reinforced Concrete Buildings under Earthquake Loads" 33 : 929-950, 2004
• 13 Oh, B. K., "Design Model for Analysis of Relationships Among CO2 Emissions, Cost, and Structural Parameters in Green Building Construction with Composite Columns" 118 : 30-315, 2016
• 14 Park, H.S., "Cost and CO2 Emission Optimization of Steel Reinforced Concrete Columns in High-rise Buildings" 6 : 5609-5624, 2013
• 15 Nimtawat, A., "Automated Layout Design of Beam-slab Floors using a Genetic Algorithm" 87 : 1308-1330, 2009
• 16 Farhat, F., "Application of Genetic Algorithm to Optimization of Buckling Restrained Braces for Seismic Upgrading of Existing Structures" 87 : 110-119, 2009
• 17 "ACI 318-08 Building Code Requirements for Structural Concrete and Commentary"